物聯網的未來與Wi-Fi HaLow互聯

作者：Shahar Feldman，摩爾斯微電子營銷副總裁

Wi-Fi HaLow即將出現在您周圍的智能門鎖、恒溫器、安全攝像頭、可穿戴設備、電子貨架標簽和無線傳感器網絡中。什么是Wi-Fi HaLow，是什么讓其成為未來物聯網（IoT）連接的理想無線協議？

傳統的Wi-Fi是當今使用的最普及的無線網絡協議，承載了一半以上的互聯網流量。根據Wi-Fi聯盟的數據，2019年售出的Wi-Fi設備超過40億臺，全球Wi-Fi安裝量擴大到130億臺以上。全球著名信息技術市場研究機構Strategy Analytics預測，到2030年，支持Wi-Fi的智能家居設備的數量將增加三成以上，達到170億臺。美國普通家庭現在平均擁有10多臺連接設備，大多數使用Wi-Fi通過接入點連接到互聯網。

物聯網（IoT）的快速增長和智能設備的激增，引發了人們對Wi-Fi連接的重新思考，揭示了眾多技術差距，以及Wi-Fi在我們的互聯世界中應該扮演什么角色。許多物聯網環境要求無線信號能夠穿透墻壁并延伸數百米，同時使低功耗設備能夠靠小型電池運行數月或數年。我們的家庭、辦公室和公共場所對遠程連接的需求不斷增長，加上電池驅動的物聯網設備和機對機（M2M）應用的低功耗限制，需要一種針對物聯網優化的新型Wi-Fi。

Wi-Fi聯盟推出了Wi-Fi HaLow（發音為HAY-Low），這是一種新型、低功耗、遠程的Wi-Fi版本，旨在滿足物聯網的獨特要求?；贗EEE 802.11ah標準，Wi-Fi HaLow以Wi-Fi的市場成功為基礎，提供一種毫不妥協的無線解決方案，提供物聯網開發者所尋求的能效、擴展范圍、障礙物穿透性、本地IP支持、易用性和最領先的安全特性。

Wi-Fi HaLow以Wi-Fi的市場成功為基礎，增加Wi-Fi連接設備的范圍和續航時間。Wi-Fi HaLow還滿足了應對最具挑戰性的物聯網環境所需的可擴展性、穩健性和安全性要求。 雖然沒有適用于所有物聯網場景的“萬能”無線協議，但Wi-Fi HaLow是第一個解決物聯網應用最緊迫需求的協議，使其成為我們互聯世界的理想選擇。Wi-Fi HaLow的應用不勝枚舉，從無線傳感器、執行器和安全攝像頭到門鎖、電器和恒溫器，所有這些都旨在改善用戶的體驗和生產力，同時降低安裝和運營成本。

傳統Wi-Fi與Wi-Fi HaLow的比較

傳統Wi-Fi讓終端用戶能夠在2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的各種無線電頻率上，快速傳輸電影和下載文件。這些較高頻率Wi-Fi連接的有效范圍很短，而且會迅速耗盡電池，需要經常充電、更換電池或插電。例如，雖然Wi-Fi 6是4K視頻流和增強現實等帶寬密集型應用的理想選擇，但對于必須長時間依靠電池運行的聯網設備來說，Wi-Fi 6就不是一個很好的選擇。

傳統Wi-Fi網絡較高的功耗、距離限制和流量擁堵，以及可連接到單個無線接入點（AP）的設備數量有限，在智能設備的互聯世界中已不再可行。這種限制阻礙了各行業正在出現的以物聯網為中心的新商業模式，這些模式需要更大的容量、范圍和續航時間，以及更低的部署成本和更短的安裝時間。

Wi-Fi HaLow旨在降低功耗、增加無線范圍和數據速率，而不會限制性能，并支持網絡中的更多設備。通過利用新的省電睡眠模式，Wi-Fi HaLow讓新型物聯網產品成為可能，這些產品可以依靠電池運行數年，同時仍然提供許多Mbps的數據吞吐量。Wi-Fi HaLow非常適合大規模物聯網，因為可以支持來自單個接入點的8，000多個連接。

Wi-Fi HaLow建立在傳統Wi-Fi強大的安全性和頻譜效率高的OFDM基礎上，同時使用低于1GHz的較窄無線電頻率通道，以更好地穿透障礙物。通過在sub-GHz范圍內運行，Wi-Fi HaLow還避免了高度擁擠的2.4GHz頻段。

表1：Wi-Fi 4/5/6與Wi-Fi HaLow比較

擴展物聯網連接的范圍

802.11標準涵蓋的頻率范圍異常廣泛，從1千兆赫以下（GHz）到毫米波（mmWave）。Wi-Fi HaLow是第一個在免許可的sub-1 GHz頻段運行的Wi-Fi標準。一般規則：頻率越低，覆蓋范圍越廣，穿透障礙物的能力越強。作為一種sub-1 GHz協議，Wi-Fi HaLow信號比2.4GHz選項更容易穿過墻壁和其他障礙。此外，Wi-Fi HaLow使用的頻段較窄，是傳統Wi-Fi的十分之一。低于1GHz的頻率和較窄頻段的結合，讓W-Fi HaLow設備能夠達到10倍的距離，覆蓋100倍的區域，并通過單個接入點支持1，000倍的容量，同時更容易克服信號障礙。

憑借其sub-1 GHz信號的遠程覆蓋，Wi-Fi HaLow的好處是擴大了智能家居或智能城市網絡的范圍，讓用戶能夠控制1公里以外的物聯網設備。這遠遠超出了藍牙、Zigbee或Z-Wave等其他短程協議的范圍。雖然LTE-M和NB-IoT等移動物聯網技術支持遠程連接，但使用特許頻譜，要求終端用戶為潛在的昂貴數據套餐付費。其他遠程無線網絡，如LoRa和Sigfox，其小數據包的數據率非常低，而Wi-Fi HaLow的數據率從幾百Kb/s到幾十Mb/s不等，使其成為擴大物聯網覆蓋范圍的最佳選擇。

單個Wi-Fi HaLow接入點還可以覆蓋星形網絡中的數千個連接設備，繞過復雜、難以部署和帶寬受限的網狀網絡，從而簡化了網絡安裝，最大限度地降低了總擁有成本。

圖1：Wi-Fi跨越多個頻段，滿足各種連接挑戰。

（來源：Wi-Fi HaLow：為物聯網應用擴展Wi-Fi，Wi-Fi聯盟白皮書）

一種省電的協議

Wi-Fi HaLow協議為經常長時間睡眠的電源敏感型物聯網設備，提供了卓越的能效。這實現了靈活的電源和電池選項，從使用紐扣電池運行的短程物聯網設備，到延伸至1公里的更高功率、采用更大電池的應用。Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz窄帶信號傳輸距離更遠，能耗更低，與2.4GHz頻段的無線選項相比，每單位能量可傳輸更多數據。

Wi-Fi HaLow支持新的睡眠和電源管理模式，以實現物聯網設備更長的續航時間。此外，當與摩爾斯微電子的專有電路設計優化相結合時，Wi-Fi HaLow提供了可與許多其他無線技術媲美的低空功耗。

面向物聯網的一種安全、基于標準的方法

雖然無線技術的差距已經刺激了專有解決方案的開發，以滿足市場需求，但這些差距可以在廣泛的IEEE 802.11標準下得到解決。系統集成商可以利用已經為傳統Wi-Fi應用開發的相同硬件和軟件資產，享受多廠商生態系統的支持，并從Wi-Fi聯盟廣泛的互操作性測試和認證計劃中受益。隨著Wi-Fi HaLow的出現，開發者和終端用戶不再需要在范圍、吞吐量、功耗、網絡容量、復雜的網狀網絡設置或月費上做出妥協。

所有物聯網網絡都需要互聯網協議（IP）支持，以實現云連接。因為Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準，它提供本地TCP/IP支持。與其他短程協議選項（如藍牙或Zigbee）不同，這種內置的IP功能，意味著無需專有網關或網橋即可連接到云端進行軟件更新或物聯網應用管理。

與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，Wi-Fi HaLow本身就是一種安全的無線協議。采用最新的Wi-Fi Protected Access 3（WPA3）安全協議，以及用于安全啟動實施的加密信息和唯一ID技術。Wi-Fi HaLow的高數據速率，還支持安全無線（OTA）固件升級，同時加速云連接。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部分，所以Wi-Fi HaLow網絡也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網絡共存，而不影響其射頻性能。

Wi-Fi HaLow用例

Wi-Fi HaLow因其多功能性而脫穎而出。Wi-Fi HaLow能滿足物聯網在智能家居、樓宇自動化、智能城市以及工業和農業環境中的各種用例要求。過程控制傳感器、建筑和工業自動化、倉庫和零售店等許多應用，將受益于Wi-Fi HaLow技術，讓眾多遠程、對電源敏感的設備在日益自動化的世界中保持連接。

在部署的初始階段，Wi-Fi HaLow預計將用于標準Wi-Fi無法到達的室內外應用，如電池操作的監控系統、無線攝像頭和動作傳感器。大型場館，如音樂廳、購物中心、倉庫、酒店和體育場館，是另一種用例，單個Wi-Fi HaLow接入點可以替代大量的接入點，避免了在有限范圍內實施復雜網狀網絡的需要。

Wi-Fi HaLow網絡的潛在用例跨越物聯網：

• 智能家居設備
• 監控系統
• 訪問控制
• 工業過程控制
• 物流和資產管理
• 零售標簽、指示牌和掃描儀
• 樓宇自動化
• 可穿戴設備和移動設備
• 智能城市基礎設施
• 農業和環境傳感器

帶有Wi-Fi HaLow的物聯網設備將在免許可的sub-1 GHz頻段提供新的選項，以支持PC生態系統中廣泛使用的IP網絡和OFDM調制方案。從長遠來看，Wi-Fi HaLow可用于擴展移動設備、PC以及物聯網網絡的應用范圍。

Wi-Fi HaLow蓄勢待發

Wi-Fi HaLow技術的商業推廣正在進行中，該技術的創新正在獲得市場的關注。例如，摩爾斯微電子正在投資，通過提供業界最小的系統芯片（SoC）和模塊解決方案，加快市場向Wi-Fi HaLow的轉變。主要的物聯網設備制造商對在下一代互聯產品中使用Wi-Fi HaLow SoC和模塊很感興趣。Wi-Fi聯盟已經宣布，HaLow認證計劃將于2021年推出。

隨著物聯網的不斷成熟和多樣化，當今天高度分散的無線領域圍繞幾個協議進行合并，以滿足物聯網最關鍵應用的需求時，市場將得到更快的發展。Wi-Fi HaLow是物聯網發展中這一拐點的最佳無線技術。市場對Wi-Fi HaLow的采用，將有助于推動物聯網進入一個可擴展、安全、低功耗和遠程連接的新時代。